Des scientifiques de l'Université métropolitaine de Tokyo ont découvert le mécanisme derrière la croissance rapide de nanofils ultra-minces ou "moustaches" dans les composés organiques. Les nanofils sont à la fois une innovation technologique souhaitable et un danger lorsqu'ils court-circuitent l'électronique :comprendre comment ils se développent est crucial pour les applications. Curieusement, on a découvert que des filaments se développaient à partir de grands fronts cristallins en suivant des bulles de gaz. Surtout, les traces d'impuretés pourraient supprimer la formation de bulles et la croissance des moustaches, permettant ainsi de contrôler la structure cristalline.

Les nanofils sont des filaments ultra-minces de matériau cristallin promettant de nouvelles applications passionnantes dans l'électronique, la catalyse et la génération d'énergie. Ils peuvent également se développer spontanément là où ils ne sont pas souhaités, pontant les barrières isolantes et court-circuitant les circuits électroniques. Maîtriser leur croissance est un problème technologique important, mais le mécanisme exact reste inconnu.

Une équipe composée du professeur Rei Kurita, de la professeure adjointe Marie Tani et de Takumi Yashima de l'Université métropolitaine de Tokyo s'est penchée sur la croissance cristalline de l'o-terphényle et du salol, deux composés organiques typiques qui présentent des cristaux de moustaches, la croissance rapide de filaments minces à partir des fronts de matériau cristallin lorsqu'il est refroidi. Après une inspection minutieuse, ils ont découvert que chaque filament comportait une petite bulle à son extrémité. Ils ont réussi à montrer que cette bulle n'était pas simplement une impureté ou simplement mélangée à de l'air, mais une minuscule capsule de gaz du même composé organique. Au lieu que les molécules du liquide se déposent simplement sur un front de croissance comme dans la croissance cristalline normale, elles se transféraient au gaz à l'intérieur de la bulle avant d'être attachées à la pointe du filament, une image très différente de l'image standard de la congélation dans les liquides. Cela a conduit à une croissance rapide sans précédent qui pourrait également être reproduite à l'intérieur de capillaires en verre minces pour une croissance plus contrôlée des nanofils.

Abordant la formation de bulles elle-même, l'équipe a découvert que la grande différence de densité entre le cristal et le liquide dans ces composés avait un rôle à jouer. En répétant les expériences dans d'autres liquides qui n'avaient pas une si grande différence, ils n'ont trouvé aucune croissance de moustaches. Ils ont estimé que le front cristallin était susceptible d'abriter de grandes inhomogénéités de densité, conduisant finalement à la cavitation, la formation spontanée de bulles de gaz qui donnent ensuite naissance à des moustaches.

Après avoir découvert ce qui provoquait la croissance des filaments, l'équipe s'est efforcée de contrôler le phénomène en supprimant la formation de bulles. Ils ont ajouté une petite quantité d'impuretés dans le matériau pour supprimer la cavitation. Effectivement, à mesure que les bulles disparaissaient, les moustaches disparaissaient également, permettant une croissance plus lente mais sans moustaches de gros morceaux de matériau cristallin uniforme.

Avec une accordabilité sans précédent et une compréhension de la physique derrière le processus, les travaux de l'équipe promettent de nouvelles approches pour développer des nanofilaments pour des applications technologiques, et différentes stratégies pour protéger l'électronique et les batteries des courts-circuits potentiellement dangereux déclenchés par des cristaux de moustaches. La recherche est publiée dans Rapports scientifiques . + Explorer plus loin

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